选区激光熔化成形制造的注塑随形冷却模具设计方法研究.pdf

基于选区激光熔化的注塑随形冷却模具设计方法研究

摘要

选区激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）技术在制造复杂随形冷却模具有着

显著优势。本文以SLM技术为基础，以某型号手柄螺纹接管注塑模具为研究对象，针

对18Ni300马氏体时效钢的注塑随形冷却模具设计方法进行系统研究。首先，通过系统

试验研究18Ni300马氏体时效钢的SLM成形工艺，研究了工艺参数和热处理方案对试

样力学性能和成形质量的影响。随后，利用Moldflow软件模拟技术研究了注塑模具冷

却流道设计对冷却效果的影响。最后，借助Ansys有限元分析软件平台建立了注塑随形

冷却模具SLM成形的数值模型，研究不同工艺参数对随形冷却模具成形过程中温度场

和应力场的影响。

采用正交试验方法进行18Ni300马氏体时效钢的SLM成形工艺优化，研究了工艺

参数（激光功率、扫描速度和扫描间距）对试样致密度、显微硬度和表面粗糙度的影

响。研究发现扫描间距对试样的致密度有着显著影响，扫描间距的增大会降低激光能

量密度，导致熔道间金属粉末熔化不充分，产生孔洞等缺陷，从而减少试样致密度。

激光功率对试样的显微硬度和表面粗糙度有着重要影响，增加激光功率能够提升激光

能量密度，促进金属粉末间的熔合，减少孔洞缺陷和未熔合颗粒，提高材料显微硬度

和试样表面粗糙度。论文得到的SLM成形18Ni300马氏体时效钢优化的固溶时效热处

理工艺是850℃×2h固溶处理和后续500℃×5h时效处理，固溶时效处理主要促进了硬

质金属间化合物的析出，导致强度的提升。经过固溶时效处理，抗拉强度可提升至

1790MPa（增加了61.6%），屈服强度可达1721MPa（增加了116.9%），达到国家标准

GB/T17107-1997。

通过Moldflow软件模拟，对比了传统冷却流道与随形冷却流道的冷却性能。研究

发现，尽管传统冷却流道热量吸收能力良好，但零件内外表面存在27℃的最大温差，

说明其冷却流道的冷却效果并不均匀。相比之下，随形冷却流道通过减小相邻流道夹

角，显著提高了冷却效率，尤其在零件上端相邻流道夹角从60°减至20°时，监测点的

温度降低了2.7%。通过减小相邻流道夹角增加了冷却流道数量，扩大了冷却介质与零

件接触的表面积，从而增强了热交换。此外，增大流道直径虽导致监测点温度轻微升

高，但整体冷却性能保持稳定。流道设计形式对零件下端冷却效果影响并不显著，而

随形冷却流道在螺纹处的温度较传统冷却流道降低了18℃，表明其冷却效率更高，有

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

助于提升模具使用寿命和产品质量。

利用Ansys有限元分析软件，建立了随形冷却模具SLM成形的有限元模型，分析

了不同工艺参数对成形过程中温度场和应力场的影响。研究表明，激光功率的增加会

导致成形件温度上升和温度梯度增加。例如，当激光功率从150W增至180W时，第1

层的温度梯度增加了118℃/mm，而第76层的温度梯度增加了111℃/mm。提高扫描速

度可以加快成形件的冷却速度，从而降低热输入和热积累。当扫描速度从600mm/s增

至800mm/s时，第1层的冷却速度分别提升了34.5%。增大扫描间距会减少激光能量

密度，加快了成形件的冷却速度。例如，当扫描间距从0.07mm增加至0.085mm时，

第1层的冷却速度从1.6℃/s增加至1.8℃/s。随着扫描间距的提高，监测点处的等效应

力有所降低，如A点降低了8.3%，B点降低了8.1%，C点降低了7.5%，D点降低了

6.5%，E点降低了5.8%。增大扫描间距，减少了成形过程中的热积累，从而降低了成

形件内部的热应力。

最后，本文指出SLM技术在注塑模具制造中的应用前景，并对后续研究提出了建

议。

关键词：选区激光熔化技术；注塑模具；随形冷却流道；工艺优化；数值模拟

基于选区激光熔化的注塑随形冷却模具设计方法研究

Abstract

SelectiveLaserMelting(SLM)technologyhassigni